科技论坛 混凝土裂缝修补材料的初步研究 王兵郑炳峰 （安徽省・水利部淮委水利科学研究院蚌埠２３３０００江苏省交通科学研究院股份有限公司 南京２１００１７） 【摘要】随着当前基础设施建设的发展，国内混凝土的用量与日俱增，但由于水泥基材料具有抗拉强度低、收缩大等缺陷， 导致混凝土工程经常会出现早期裂缝的问题，为保证安全需对裂缝进行修补。本文对以铜渣、矿渣为主要原料制备而成的 地聚合物裂缝修补材料进行研究，得出配合比范围，为进一步研究其性能提供了初始材料。 【关键词】混凝土裂缝修补材料地聚合物配合比 本文尝试以地聚合物作为裂缝修补材料，对水泥基材 １ 引言 目前国内常用的裂缝修补方法有结构补强法、表面处理 法、灌浆法、填充法。结构补强法是使用钢筋混凝土围套在构 件外部或结构裂缝四周浇筑，将结构构件箍紧，以增加结构 构件受力面积；表面处理法是采用弹性涂膜防水材料、聚合 物水泥膏及渗透性防水剂等，涂覆于裂缝表面，最终达到减 少以至消除裂缝的目的；灌浆法是使用特定的施工设备，将 料早期裂缝进行修补。地聚合物材料是高强和高性能混凝 土设计的重要组成部分，可以是天然材料、工业废渣或副产 品，例如粉煤灰、高炉矿渣或偏高岭土等，通常作为火山灰 材料用于混凝土中，并且对增强混凝土的力学性能和耐久 性有重要的影响。 ２地聚合物材料的制备 ２．１概述 树脂浆液、水泥浆液或聚合物浆液等专用的灌浆材料灌入裂 缝内部，依靠灌浆材料的固化和黏结作用达到修补裂缝的目 的；填充法是将修补材料直接填充于裂缝中的一种方法，可 本文采用碱一矿渣一钢渣复合体系来制备地聚合物。 首先通过正交试验，制备地聚合物裂缝修补材料，以地聚合 物的抗折强度和抗压强度作为评价材料性能的主要技术指 以恢复防水性、耐久性以及部分恢复结构整体陛。 阳关至淮南田家庵段的河工模型试验实测分流比，１９９２年 河道状况下，未启用行洪区时，右汊超河过流量占总流量的 ６７％，二道河以下右汉过流量占总流量的５０％；７０００流量 和０．１ １×１０。ｋｇ・ｓ／ｍ ，而４个时段河道年平均冲刷量分别为 ３０．４×１０４ｍ３ ７３．７×１０４ｍ 、１０２．２×１０４ｍ 和１３８．０×１０４ｍ 。可以 看出，随着日均来沙系数的减小，河道年平均冲刷量随之增 级时，超河过流量占总流量的６０％，由于行洪区分泄部分 流量，二道河以下右汊过流量占总流量的４０％，实际过流 量占河道的５７％。 ２．３河段冲淤成因浅析 大，即来沙系数越小，河道的冲刷程度越大。此外，近期河道冲 刷强度加剧，与人工采砂也有着密切的关系。 ３河道纵剖面变化 ５次测量的河道深泓纵剖面表明，右汊河道１９９２—２００５ 年深泓高程降低幅度较大，左汊河道２００５～２００８年间深泓 河道的冲淤变化规律可以从河段来水来沙的条件变化进 行初步分析。如表３所示，１９７１—１９８３年、１９８３～１９９２年、 １９９２ ２００５年和２００５～２００８年４个时段的日均来沙系数分 另０为０．７２×１０。ｋｇ・ｓ／ｍ６，０．３５×１０＿３ｋｇ・ｓ／ｍ６，０．２０×１０＿３ｋｇ・ｓ／ｍ 表３鲁台子站各年代水沙特征变化 多年 多年平均 平均来沙 河道年平 时段（年） 平均流量 含沙量 系数ｓ／Ｑ 均冲刷量 Ｑ ｍ ／ｓ） Ｓ（ｋｇ／ｍ ） （１Ｏ－３ｋｇ・ｓ／ｍ ） （１Ｏ ｍ。） １９７１～１９８３ ６３０．１６ １９８３～１９９２ ７５０．９１ １９９２～２００５ ５９９．７５ ２００５～２００８ ８１９．４６ 高程降低幅度最大。而２００５～２００８年间未发生大洪水，可见 深泓高程的降低一方面说明河道冲刷强度增大，这与来沙 量减少和行洪区运用效果不佳、主槽集中冲刷有关；另一方 面说明该段河道非法采砂较为严重，导致河底急剧下切。 ４结语 六坊堤河段两汊总体冲刷，右汉冲刷幅度较左汊大，主 槽冲刷幅度较滩地大。同时，人工采砂导致局部冲坑急剧下 切。河道冲刷扩大，有利于增加河道泄量，但无序采砂也给 河道稳定带来不利影响● ０．４５ Ｏ－２６ ０．１２ ０．０９ Ｏ．７２ Ｏ．３５ ０．２０ ０．１１ ３０．４ ７３．７ １０２．２ １３８．Ｏ ＿。 科技论坛琵 标，通过进一步优化抗渗试验确定地聚合物愈缝材料的最 优配合比。在此基础上，最终确定裂缝修补材料的配方。 ２．２试验内容 强度和抗压强度，根据分析，影响抗折强度和抗压强度的主 要因素为钢渣掺量（记做Ａ），水灰比（记做Ｂ），氢氧化钠掺 量（记做Ｃ），水玻璃模数（记做Ｄ）。根据初步试验和对文献 的查阅，总结得出此次试验每种物质的掺量大小。每个因素 分别取３个水平做实验，得因素与水平表，见表１。 ２．２．２试验结果与分析 ２．２．１正交试验 采用正交试验制备地聚合物，用正交表安排试验首先 看因素的水平，选取因素水平相同的正交表，然后看因素的 数目，因素的个数不能超过正交表的列数，允许有空白列。 制备地聚合物愈缝材料的原材料包括钢渣、矿渣、水玻 将养护龄期为３ｄ、７ｄ、２８ｄ的地聚合物取出做抗折强度 和抗压强度，强度测定结果和极差分析结果如表２ ４所示。 璃、氢氧化钠和水。试验指标是３ｄ，７ｄ，２８ｄ地聚合物的抗折 表１因素与水平表 因素 Ａ Ｂ Ｃ Ｄ 从表２可以看出，养护３ｄ的地聚合物抗压强度均达到 ４５．４ＭＰａ以上，最高达到５９．３ＭＰａ，体现出地聚合物具有早 水平１ ３４％ Ｏ．２３ ４％ １Ｉ２ 水平２ ３８％ ０．２５ ７％ １－３ 水平３ ４２％ ０－２７ １０％ １．４ 强的特点。水玻璃作为激发剂，矿渣和钢渣的水硬性可以在 较短的时间内被激发出来。从极差分析结果来看，４个因素 对抗压强度的影响大小顺序为：Ａ＞ｃ＞Ｂ＞Ｄ。这是因为钢渣的 掺量（Ａ）会影响到复合胶凝材料本身的性能，如活性物质的 含量，而作为主体物质，胶凝材料活性物质的含量直接影响 表３ ７ｄ地聚合物强度极差分析 试验号 １ 表２ ３ｄ地聚合物强度极差分析 试验号 １ Ａ １ Ｂ １ Ｃ １ Ｄ 抗压强度 抗折强度 ＭＰａ １ ４６．７ Ａ １ Ｂ １ Ｃ １ Ｄ 抗压强度 抗折强度 ＭＰａ １ ６５．１ ＭＰａ ５．１６ Ｍｐａ ５．６１ ２ ３ １ １ ２ ３ ２ ３ ２ ３ ４５．７ ４５．４ ２．６５ １．９２ ２ ３ １ １ ２ ３ ２ ３ ２ ３ ６１．８ ５５．４ ８．４１ ４．６３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ２ ２ ２ ３ ３ ３ １ ２ ３ １ ２ ３ ２ ３ １ ３ １ ２ ３ １ ２ ２ ３ １ ４７．１ ４９．３ ４９．１ ４７．３ ４９．１ ４８．１ ２．４２ ４．７７ ４．５２ ２．４１ １．８１ ５．０２ ４ ５ ６ ２ ２ ２ １ ２ ３ ２ ３ １ ３ １ ２ ５６．１ ６６．４ ５０．９ ４．８４ ６．７１ ５．４１ ７ ８ ９ ３ ３ ３ １ ２ ３ ３ １ ２ ２ ３ １ ５８．１ ５６．９ ５７＿３ ３．８７ ５．６９ ６．６２ 抗压强度 Ｋ１ １３７．８ １４１．１ １４５．２ １４４．１ 抗压强度 ＫＩ １８２－３ １７９．３ １７２．９ １８８．８ ＫＩＩ ＫⅢ ｋＩ ｋｌＩ ｋｍ １４５．５ １４４．１ １４０．９ １４２．１ １４４．５ １４２．６ １４２．０ １４１．６ ４５．９ ４７．０ ４８．４ ４８．０ ４８．５ ４８．０ ４７．０ ４７．４ ４８．２ ４７．５ ４７．３ ４７．２ ＫＩＩ Ｋｍ ｋ【 ｋⅡ ｋｍ １７３．４ １８５．１ １７５．２ １７０．８ １７２３ １６３．６ １７９．９ １６８．４ ６０．８ ５９．８ ５７．６ ６２．９ ５７．８ ６１．７ ５８．４ ５６．９ ５７．４ ５４．５ ６０．Ｏ ５６．１ 极差 ２．６ １．０ ２ １．４ ０．８ １ １ 极差 ３．４ ７．２ ２．４ ６．８ 优化方案 ２ 抗折强度 Ｋｌ Ｋｎ Ｋｍ 优化方案 抗折强度 １ ２ ３ １ ９．７３ ９．９９ １１．４９ １４．９５ １１ ７１ ９．２３ １０．０９ ９．５８ ９．２４ １１．４６ ９．１０ ６．１５ ＫＩ ＫＩＩ Ｋｍ １８．６５ １４３２ １６．７１ １８．９４ １６．９６ ２０．８１ １９．８７ １７．６９ １６．１８ １６．６６ １５．２１ １５．１６ ｋＩ ｋⅡ ｋｍ ３．２４ ３．３３ ３馏３ ４．９８ ３．９０ ３．０８ ３．３６ ３．１９ ３．Ｏ８ ３．８２ ３．０３ ２．Ｏ５ ｋＩ ｋⅡ ｋｍ ６．２２ ４．７７ ５．５７ ６．３１ ５．６５ ６．９４ ６．６２ ５．９０ ５．０５ ５３９ ５．５５ ５．０７ 极差 ０．８２ ０．７４ ０．８Ｏ ２．９３ ３ １ １ 极差 优化方案 ０ ８２ ２．１６ １．５５ １．２６ １ ２ ２ １ 优化方案 ２ ｚ＿。 ｌｉ科技论坛麓 到碱激发的效果。作为辅助物质，氢氧化钠掺量（Ｃ）、水灰 比（Ｂ）、水玻璃模数（Ｄ）对强度的影响相对较小。 响大小顺序为：Ｂ＞Ｃ＞Ｄ＞Ａ。根据各因素水平关系，结合各因 素极差的大小，得到强度较好的配合比为Ａ Ｂ：ｃ，Ｄ 和 ＡｌＢ２Ｃ２Ｄ１ ｏ 对于养护３ｄ的地聚合物抗折强度，在１．８１ＭＰａ以上， 最高达到５．１６ＭＰａ，极差分析结果显示，４个因素对抗折强 度的影响大小顺序为：Ｄ＞Ａ＞Ｃ＞Ｂ。与抗压强度极差分析结 果有所不同的是，水灰比（Ｂ）对抗折强度的影响最小。 养护２８ｄ的地聚合物抗压强度有一定的增长，见表４， 在７０．４ＭＰａ以上，最高达到９３．１ＭＰａ，说明在２８ｄ中，地聚 合物抗压强度持续不断地发展，较为均衡，后期还有发展的 潜力。从极差分析结果来看，４个因素对抗压强度的影响大 根据各因素水平关系，结合各因素极差的大小，得到强 度较好的配合比为Ａ２Ｂ Ｃ Ｄ 和Ａ２Ｂ Ｃ。Ｄ．。 ／ｂＮ序为：Ａ＞Ｃ＞Ｄ＞Ｂ。养护２８ｄ的地聚合物抗折强度也有增 长，在５．４６ＭＰａ以上，最高达到１０．５０ＭＰａ，后期抗折强度的 发展非常大，根据各因素水平关系，结合各因素极差的大 养护７ｄ的地聚合物抗压强度有一定的增长，在 ５０．９ＭＰａ以上，见表３，最高达到６６．４ＭＰａ，说明在这段时间 内，地聚合物抗压强度持续发展。从极差分析结果来看，４ 个因素对抗压强度的影响大小顺序为：Ｂ＞Ｄ＞Ａ＞Ｃ。养护７ｄ 的地聚合物抗折强度也有增长，在３．８７ＭＰａ以上，最高达到 ６．７１ＭＰａ。从极差分析结果来看，４个因素对抗压强度的影 表４ ２８ｄ地聚合物强度极差分析 试验号 Ａ Ｂ Ｃ Ｄ 抗压强度 抗折强度 ＭＰａ １ ２ １ １ １ ２ １ ２ １ ２ ８０．９ ９３．１ 小，得到强度较好的配合比为Ａ Ｂ ２Ｄ 和Ａ ２Ｉ： Ｄ 。 ２．３配合比范围 根据３ｄ、７ｄ、２８ｄ地聚合物强度的实验结果，存在一定 的差异，但是先结合极差分析，能够初步确定配合比的范 围。钢渣的掺量（Ａ）为３４％一３８％，水灰比（Ｂ）为０．２５，氢氧 ＭＰａ ７．１６ ６．００ 化钠掺量（Ｃ）为４％～７％，水玻璃模数（Ｄ）为１．２。 ２．４配合比的优化 根据前面的分析，此次试验主要是确定钢渣的掺量。根 据两次正交试验结果，钢渣掺量依次取３４％、３５％、３６％、 ３７％、３８％制备地聚合物抗渗试块，按照顺序依次编号为 ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １ ２ ２ ２ ３ ３ ３ ３ １ ２ ３ １ ２ ３ ３ ２ ３ １ ３ １ ２ ３ ３ １ ２ ２ ３ １ ８５．３ ７０－４ ８０．８ ７２．６ ８５．４ ７３．１ ９２．５ ５．４６ ６．１５ １ ５号，每组成型３个。在标准条件下，养护至２８ｄ，水压均 为１．５ＭＰａ，取出做抗渗试验，试验结果表明１～５号的试块 ７．６３ ９．３０ ８．７１ 渗水高度分别为１．１ｃｍ、１．０ｅｒａ、０．７ｃｍ、１．１ｃｍ、０．９ｅｍ。 从数据中可以看出随着钢渣掺量的增加，抗渗能力也 随之逐渐增加，抗渗性能明显增强，当钢渣掺量为３６％，抗 １０．５Ｏ ８．６０ 渗能力达到最大，当钢渣掺量增加为３７％时，抗渗能力又开 始降低。试验最后显示３号抗渗能力最强，因此，最终选择 钢渣掺量为３６％。根据上述试验结果分析，得出地聚合物愈 抗压强度 ＫＩ Ｋｕ Ｋｍ ｋＩ ｋⅡ ２５９．３ ２３６．７ ２２６．６ ２５４．２ ２２３．８ ２４７ ２５６ ２５１．１ 缝材料最佳的配合比为：钢渣的掺量（Ａ）为３６％、矿渣的掺 量为６４％、水灰比（Ｂ）为０．２５、氢氧化钠掺量（Ｃ）为４％～ ７％、水玻璃模数（Ｄ）为１．２。 ２５１ ２５０．４ ２５１．５ ２２８．８ ８６．４３ ７８．９０ ７５．５３ ８４．７３ ７４．６Ｏ ８２＿３３ ８５．３３ ８３－７０ ３结语 地聚合物愈缝材料主要的生产原料是工业废渣，充分 ｋｍ ８３．６７ ８３．４７ ８３．８３ ７６．２７ 极差 １１．８３ ４．５７ ９．８０ ８．４７ 利用和开发这些资源，对保护环境、节约能源都有很强的现 实意义。 优化方案 抗折强度 ＫＩ ＫⅡ Ｋｍ ｋ１ １ ３ ２ １ 本文通过正交试验，得出了混凝土愈缝材料地聚合物 １８．６２ ２２．Ｏ２ ２６．９６ ２３＿３９ 的配合比范围，即钢渣掺量为３６％，矿粉掺量为６４％，水灰 比为０．２５，氢氧化钠掺量为４％～７％，水玻璃模数为１．２。通 ２３．０８ ２４．１３ ２０．７５ ２４．０１ ２７．８１ ２３．３６ ２１．８ ２２．１１ ６．２１ ７，３４ ８．９９ ７．８０ 过进一步试验，预期还能够得到地聚合物的最优配合比，这 部分工作将在今后的研究中展开。 地聚合物的抗渗性能十分优越，可以满足实际需求，流 ｋⅡ ｋｍ ７．６９ ８．０４ ６．９２ ８．００ ９．２７ ７．７９ ７．２７ ７．３７ 动性也很好。但是地聚合物的干缩较大，原因主要是矿渣和 钢渣自身的性能存在一定的缺陷，应对地聚合物的配合比 进行进一步的优化，寻找一些干缩性能较小的原材料，从而 使其使用性能更加满足市场的需求● 极差 ３．０６ ０．７０ ２．０７ ０．６３ 优化方案 ３ ２ １ ２ ｚ＿。